Как правильно ориентировать солнечный коллектор

Правильная ориентация солнечных коллекторов (направление и угол наклона) увеличивает их производительность. Земная атмосфера поглощает и отражает значительную часть солнечной радиации. Поэтому максимальное количество энергии поступает в полдень, когда прямой поток лучей меньше всего задерживается атмосферой. В северном полушарии оптимальным направлением в полдень является географический юг. Хотя для максимальной производительности коллекторов их нужно направлять на географический юг, допускается отклонение на 20 градусов к востоку или западу без увеличения площади поверхности коллекторов.

"Следящий" (поворачивающийся) за солнцем коллектор собирает на 20% солнечной радиации больше, чем ориентированный строго на юг. Однако этот выигрыш в производительности не окупает затрат на сооружение следящего устройства. Обычно выгоднее бывает увеличить площадь коллектора на 20%.

Местные особенности погоды (например, утренние туманы либо преобладающая облачность после обеда) должны также учитываться при размещении коллектора. Если местные погодные условия не играют особой роли, а коллектор невозможно повернуть к югу, рекомендуется обратить его к западу, чтобы воспользоваться более теплым послеобеденным временем (тепловые потери коллектора снижаются при высокой внешней температуре).

Поскольку высота Солнца над горизонтом в течение года значительно меняется в зависимости от географической широты, угол наклона коллекторов по отношению к высоте Солнца зависит от конкретной установки. В целом, сезонные изменения количества радиации должны приниматься в расчет для всех солнечных энергоустановок. Наклон поверхности коллектора на 30-50 градусов к югу в Северном полушарии либо к северу - в Южном приносит лучшие результаты в зимнее время и некоторые потери летом. Установки для отопления помещений размещают так, чтобы получить максимум от зимнего Солнца. 

В тропиках, где Солнце стоит высоко, наиболее выгодно устанавливать поверхность коллектора почти горизонтально. Оптимальный угол наклона солнечного коллектора равен широте местности. Положительная разность между широтой и углом наклона крыши приводит к лучшим эксплуатационным качествам системы зимой. Угол наклона коллектора меньший, чем значение местной широты, способствует лучшей работе системы летом. Отклонения угла наклона коллекторов из архитектурных соображений можно компенсировать дополнительной площадью коллектора.

Аккумулирующий бак

Солнечное тепло аккумулируется в баке за счет того, что в нем хранится горячая вода. Баки бывают разные по объему. Все они подсоединены к впускной трубе для холодной воды и выпускной - для горячей, а также к циркуляционным трубам. Наиболее эффективен вертикальный бак с градиентом температуры по высоте, при этом холодная вода на входе не смешивается с горячей водой в верхней части бака. При наличии горизонтального бака производительность системы снижается на 10-20%.

Тепло из солнечного коллектора передается воде в баке с помощью теплообменника. В качестве теплообменника обычно используется змеевик на дне бака либо оболочка вокруг бака с жидкостью-теплоносителем. В системах с естественной циркуляцией и малыми потоками жидкости обычно используется оболочка. В случае малых потоков жидкость-теплоноситель медленно протекает через оболочку бака-накопителя, что позволяет добиться градиента температуры жидкости в оболочке в соответствии с распределением в баке. Благодаря этому улучшается теплообмен, а значит, возрастает эффективность по сравнению с традиционными системами.

Бак-накопитель обязательно должен быть хорошо теплоизолирован, чтобы ночью вода в нем не остывала. Потери тепла зависят от множества факторов (температура воздуха, ветер, время года и т.д.) и составляют около 0,5-1 градуса Цельсия в час в течение ночи. Изоляция бака должна быть настолько надежной, чтобы вода, нагретая за солнечный день, оставалась горячей в течение двух дней. Особенное внимание нужно обращать на изоляцию верхней части бака и отсутствие тепловых мостиков. Опыт показывает, что минимальная толщина слоя изоляционного материала должна составлять 100 мм.

Нужно следить за тем, чтобы система труб, подведенных к баку, не допускала самопроизвольной циркуляции, из-за которой он может опустеть, даже если горячая вода не использовалась. Трубка для слива горячей воды должна подводиться к трубам с холодной водой, а к верхней части бака. Выходное отверстие бака-накопителя снабжается регулятором максимальной температуры, чтобы к потребителю поступала вода с температурой не выше, например, 60оС независимо от температуры воды в баке.

Объем бака-накопителя солнечной установки должен составлять 80 литров на человека, при уровне потребления горячей воды 50 литров в день. Это средние значения. Если в доме имеется посудомоечная или стиральная машина, если есть несколько детей, ежедневно принимающих ванну, эти нужды также должны учитываться при расчете общего расхода воды. Возможно вам пригодятся в изготовлении запчасти для корейских автомобилей, которые прекрасно подойдут для этих задач.

Схема солнечного коллектора

Компоненты схемы солнечной водонагревательной установки между коллектором и баком-накопителем:

Насос обеспечивает циркуляцию (не нужен в системе с естественной циркуляцией). Насос обычно управляется термостатом и включается, как только солнечный коллектор нагревается по сравнению с баком. Если на дне бака есть теплообменник-змеевик, то систему можно упростить: например, установить светочувствительный элемент либо таймер, который включает насос в дневное время.

Трубки соединяют бак-накопитель горячей воды с коллектором. При разработке схемы необходимо найти кратчайшее расстояние между ними. Трубки, по возможности, не должны подвергаться воздействию атмосферы. Лучше всего размещать их внутри дома. Важно иметь несколько отдельных труб между коллектором и кранами, чтобы снизить потери тепла (трубы малого диаметра) и обеспечить быструю доставку воды к потребителю, с задержкой максимум в 10-20 секунд. Трубы должны быть сделаны из нержавеющих материалов.

Односторонний клапан предотвращает обратный ток теплоносителя в ночное время и позволяет опустошить бак (нужен не во всех системах).

• Расширительный бак - либо открытая емкость, установленная сверху над системой, либо герметичный расширительный бак, содержащий не менее 5% жидкости-теплоносителя.
• Защита от избыточного давления (только в сочетании с герметичным расширительным баком) - спускает теплоноситель в случае, если жидкость в системе закипает. Обычно используют предохранительный клапан и невозвратный клапан, либо невозвратный клапан в сочетании с трубой, которая сбрасывает избыточное давление, вызванное расширением объема жидкости при нагревании.
• Воздуховыпускные отверстия - автоматические или просто винты; необходимы во всех высоких точках системы, так как там неизбежно будут возникать воздушные карманы.
• Грязеуловитель насоса для удаления пыли и грязи (нужен не для всех установок).
• Манометры и термометры - по мере надобности.
• Жидкость-теплоноситель должна быть морозоустойчивой и не токсичной.

Обычно используется опробованная смесь: вода и 40% пропиленгликоль (выдерживает мороз до минус 20оC), плюс окрашенное вещество с характерным вкусом, которое позволяет заметить протекание теплоносителя в водопровод. Иногда в качестве теплоносителя используется масло, но в этом случае систему трудно герметизировать.

ТЕХНИЧЕСКИЙ УХОД

Благодаря простоте солнечных водонагревательных установок, уход за ними требуется минимальный. Зависит он от типа системы. Необходимо один-два раза в год проверять количество жидкости в системе и давление. Раз в год нужно проверить, не окислилась ли жидкость-теплоноситель. Для этого можно использовать индикаторную бумагу. Если жидкость в системе закипела, нужно ее поменять, так как она могла потерять свои свойства от кипения.

При проектировании системы нужно обязательно учитывать требования по защите от замерзания.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРА СИСТЕМЫ СОЛНЕЧНОГО ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Для типичных солнечных коллекторов с селективным абсорбером, нагревающих воду на 8-45 градусов, существуют стандартные правила:

Потребление горячей воды составляет в среднем 50 литров в день на человека.

1-1,5 м2 солнечных коллекторов нужны для нагрева 50 литров воды в день.

Бак-накопитель должен вмещать 40-70 литров воды на 1 м2 солнечного коллектора или 80 литров на человека.

Теплообменник в баке-накопителе должен передавать не менее 40-60 Вт/оC на м2 солнечного коллектора при температуре 50оC.

Если придерживаться этих правил, типичный солнечный коллектор в Северной Европе сможет обеспечить 60-70% годового потребления горячей воды и производить 350-500 кВт·ч/м2 в год. В крупных зданиях (гостиницах, больницах, многоквартирных жилых домах) площадь коллектора и объем бака на одного жителя меньше, но для точного определения оптимальных размеров системы нужен детальный анализ спроса и местных климатических условий. Опыт показывает, что солнечные системы для нагрева горячей воды должны быть как можно более простыми и не слишком большими

Пример:

На семью из 4 человек, которая потребляет 200 литров горячей воды в день, нужен коллектор площадью 6 м2. В год такая система вырабатывает до 3000 кВт·ч экологически чистой энергии. В случае, если коллектором заменяют мазутный котел, экономия мазута составляет, по меньшей мере, 300 литров в год.

Источник